Full Text

Введение В современной практике проектирования применяются совершенно разные типы фундаментов [1], но свайные фундаменты более широко распространены в современном строительстве как высотных зданий и сооружений, так и рядовых многоэтажных домов из-за их устойчивости и высокой несущей способности [2, 3]. Сравнение конструкций фундаментов для многоэтажного дома анализировалось в работе [4]. Использование свайных фундаментов - распространенная практика как в России, так и за рубежом [5, 6]. Но, к сожалению, проектные организации, занимающиеся проектированием свайных фундаментов, не всегда заинтересованы в применении оптимизации своих инженерных решений в связи с высокими трудозатратами при проектировании или ограниченностью времени на проектирование, а, возможно, и из-за недостатка квалифицированных инженерных кадров. Исследование методов определения осадки и длительной несущей способности одиночной сваи было представлено в работе [7]. Применение метода конечных элементов (МКЭ) для расчета плитно-свайных фундаментов приведено в статьях [8-11]. Вопросам взаимодействия одиночной сваи с окружающим и подстилающими грунтами посвящено большое количество научных работ как российских, так и зарубежных авторов. С опорой на экспериментальные, численные и теоретические исследования в научных работах были получены различные методы, подходы и решения, позволяющие наиболее корректно спрогнозировать осадку и несущую способность одиночной сваи. Исследования в данной области являются актуальными, поскольку определение осадки сваи, а также изучение механизма распределения нагрузки, передаваемой на неё, играют важную роль при проектировании свайных фундаментов. Основная часть Расчет количества свай в плитно-свайных фундаментах, с одной стороны, является довольно тривиальной задачей, сводящейся к простому алгебраическому выражению, а именно к дроби, где в числителе - расчетная сжимающая сила, передаваемая на свайный ростверк в уровне его подошвы, а в знаменателе - несущая способность единичной сваи. , где n - количество свай, шт.; Nd - расчетная сжимающая сила, передаваемая на свайный ростверк в уровне его подошвы, кН; Fd - несущая способность единичной сваи. Расположение свай в плитно-свайных фундаментах также не является особо сложной задачей, сводящейся к соблюдению конструктивных требований пункта 8.13 СП24.13330.2021, регламентирующего расстояния между различными видами свай. С другой же стороны, задача усложняется неравномерностью усилий в сваях вследствие неравномерности распределения вертикальных несущих конструкций, а также воздействия горизонтальных нагрузок, особенно это присуще высотным зданиям [6]. Решением данной задачи может являться более оптимизированная расстановка свай по площади плитного ростверка с учетом всех вариантов сочетаний нагрузок [12, 13]. Похожей проблемой, только для кустов свай, занимались А.П. Малышкин и А.В. Есипов [14]. Для примера используем 21-этажный жилой дом в г. Батайске Ростовской области. Конструктивная схема здания - каркасно-монолитная, на плитно-свайном фундаменте, сваи - буронабивные, круглого сечения Ø350 мм. Вертикальные несущие конструкции здания представлены монолитными ж.-б. пилонами толщиной 200, 250 мм и диафрагмами жесткости толщиной 200 и 250 мм, а также ограждающими стенами подвала толщиной 250 мм. Горизонтальными несущими конструкциями являются монолитные ж.-б. перекрытия толщиной 180 и 220 мм (рис. 1). Рис. 1. 3D-вид каркаса здания и план несущих конструкций подвала Fig. 1. 3D-view of the building frame and plan of the supporting structures of the basement В геологическом отношении участок строительства представляет собой многослойное основание с равномерным расположением инженерно-геологических элементов по глубине: ИГЭ-1 - суглинок текуче-пластичной консистенции мощностью в среднем 1,3 м; ИГЭ-2 - суглинок полутвердый мощностью 2,6 м; ИГЭ-3 - песок средней плотности мощностью 4,4 м; ИГЭ-4 - песок плотный. Несущая способность одиночной сваи длиной 12 м составляет 66,5 т. Свайное поле в данном проекте представляет собой регулярную сетку свай круглого сечения Ø300 мм, с шагом 1200 мм, в количестве 586 шт. Схема расположения свайного поля до оптимизации представлена на рис. 2. Рис. 2. Схема расположения свайного поля до оптимизации Fig. 2. Pile field scheme before optimization Расчет несущих конструкций здания выполнен в программно-вычислительном комплексе, основанном на методе конечных элементов. Одиночные сваи в составе группы замоделированы при помощи одноузловых элементов конечной жесткости по направлению вертикальной оси Z [15]. Результаты и обсуждение В результате расчета получаем мозаику усилий в каждой отдельной свае при наихудшем расчетном сочетании усилий (рис. 3). На рисунке видно, что расчетная нагрузка на сваи, расположенные в районе осей 4-10, Б-Д, недогружены почти в полтора раза. Если посчитать нагрузку в уровне обреза плитного ростверка Nd = 29591 т и разделить её на несущую способность одиночной сваи Fd = 66,5 т, получим 29591/66,5 = 445 шт. Таким образом, в идеальных условиях, количество свай должно составлять 445, а не 586 шт., что, конечно же, невозможно, ввиду неравномерного расположения вертикальных несущих конструкций, а также горизонтальных нагрузок. Но к такому числу свай стоит стремиться, т.е. стоит стремиться к максимальному использованию несущей способности каждой сваи, согласно пункту 8.7 СП 24. Рис. 3. Мозаика усилий в сваях до оптимизации Fig. 3. Mosaic of forces in piles before optimization Рис. 4. Схема расположения свайного поля после оптимизации Fig. 4. Pile field scheme after optimization Рис. 5. Мозаика усилий в сваях после оптимизации Fig. 5. Mosaic of forces in piles after optimization Посредством оптимизации данного свайного поля, за счет изменения шага и расположения свай (рис. 4, 5), удалось в несколько итераций уменьшить количество свай на 64 шт. - с 586 до 522 шт., увеличив при этом нагрузку на наиболее нагруженные сваи всего лишь на 0,3 % и не превысив допустимую нагрузку на сваю, а на наиболее ненагруженные сваи нагрузка увеличилась на 14,7 %, в среднем же нагрузка на все сваи увеличилась на 9,7 % и составляет 90,1 % от максимальной несущей способности одиночной сваи вместо 79,8 % в исходной схеме. Данные по оптимизации свайного поля представлены в табл. 1. Таблица 1 Сравнение показателей свайного поля исходной схемы и схемы после оптимизации Table 1 Comparison of the rates of the pile field of the original scheme and the scheme after optimization Вид нагрузки Исходная схема После оптимизации Rz, т % от Fd Rz, т % от Fd Суммарная нагрузка на сваи 31079,0 - 31064,1 - Средняя нагрузка на сваю 53,0 79,8 59,9 90,1 Максимальная нагрузка на сваю 65,2 98,0 65,4 98,3 Минимальная нагрузка на сваю 42,1 63,3 51,9 78,0 Рассмотрим еще один вариант оптимизации свайного поля, а именно уменьшение несущей способности недогруженных свай за счет уменьшения их длины. Вслед за уменьшением несущей способность посредством уменьшения длины свай изменится и их расчетная осадка, а значит и жесткость этих свай, что также следует отразить в расчетной схеме. Существуют разные методы расчета и проектирования свайных фундаментов со сваями различной длины [16]. Для расчета используется метод полных решений теории упругости, рассматривающий все сваи в группе с численным решением по МКЭ [17]. Подбирать длину свай будем с шагом 1 м. В результате расчета получили несущую способность: сваи диной 11 м - 59,4 т; сваи длиной 10 м - 53,3 т; сваи длиной 9 м - 47,6 т. Мозаика усилий в сваях до оптимизации с учетом несущей способности свай различной длины представлена на рис. 6. Рис. 6. Мозаика усилий в сваях до оптимизации Fig. 6. Mosaic of forces in piles before optimization В результате оптимизации свайного поля за счет изменения длины свай в несколько итераций удалось распределить сетку свай по длине в зависимости от нагрузки на каждую конкретную сваю, учитывая при этом изменение их жесткости. Интересно, что в работе [18] описано применение фундамента со сваями различной длины, но характер их расположения отличается от нашего варианта тем, что более длинные сваи расположены в середине здания, в то время как у нас более длинные сваи расположены преимущественно по контуру здания, связано это с разной высотностью зданий и большими горизонтальными нагрузками на него. Результат оптимизации представлен на рис. 7, где синим цветом показаны сваи длиной 12 м, красным - сваи длиной 11 м, коричневым - длиной 10 м и зеленым - 9 м. Мозаика усилий в сваях после оптимизации представлена на рис. 8. В итоге после оптимизации свайного поля за счет изменения длины свай получили результаты, представленные в табл. 2. Средняя нагрузка на сваю увеличилась по сравнению с исходной схемой на 0,2 % и составила 53,1 т. Казалось бы, прирост совсем незначительный, но это в абсолютных величинах, а вот относительно общей несущей способности свай разница составляет 13,1 %, что уже достаточно весомо. При этом минимальная нагрузка на сваю в абсолютных величинах даже снизилась с 42,1 до 41,7 т, но в относительных величинах, наоборот, выросла на 21,9 %. В свою очередь, максимальная нагрузка на сваю увеличилась как в абсолютных единицах, так и в относительных с 65,2 до 66,4 т, но при этом не превышает несущую способность сваи. Также стоит подчеркнуть, что материалоёмкость свайного поля снизилась на 909 м длины свай, что эквивалентно 75 сваям длиной 12 м. Рис. 7. Схема расположения свай различной длины после оптимизации Fig. 7. Scheme of piles of various lengths after optimization Рис. 8. Мозаика усилий в сваях после оптимизации Fig. 8. Mosaic of forces in piles after optimization Таблица 2 Сравнение показателей свайного поля исходной схемы и схемы после оптимизации за счет изменения длины свай Table 2 Comparison of the rates of the pile field of the original scheme and the scheme after optimization by changing the length of the piles Вид нагрузки Исходная схема После оптимизации за счет изменения длины свай L = 12 м L = 11 м L = 10 м L = 9 м итого Rz, т % от Fd Rz, т % от Fd Rz, т % от Fd Rz, т % от Fd Rz, т % от Fd Rz, т % от Fd Суммарная нагрузка на сваи 31079 - 4761 - 10344 - 11425 - 3571 - 31139 - Средняя нагрузка на сваю 53,0 79,8 63,5 95,5 50,2 94,2 49,9 93,6 42,0 88,2 53,1 92,9 Максимальная нагрузка на сваю 65,2 98,0 66,4 99,8 59,3 99,8 53,0 99,4 45,4 95,4 66,4 99,8 Минимальная нагрузка на сваю 42,1 63,3 60,5 91,0 47,5 89,1 45,4 85,2 41,7 87,6 41,7 85,2 Таблица 3 Сравнение методов оптимизации свайного поля Table 3 Comparison of pile field optimization methods Вид нагрузки Исходная схема После оптимизации за счет изменения шага и расположения свай После оптимизации за счет изменения длины свай Rz, т % от Fd Rz, т % от Fd Rz, т % от Fd Суммарная нагрузка на сваи 31079 - 31064 - 31139 - Средняя нагрузка на сваю 53,0 79,8 59,9 90,1 53,1 92,9 Максимальная нагрузка на сваю 65,2 98,0 65,4 98,3 66,4 99,8 Минимальная нагрузка на сваю 42,1 63,3 51,9 78,0 41,7 85,2 Финалом данной работы можно считать сравнение двух методов оптимизации свайного поля по показателю максимального использования несущей способности сваи, рассмотренном в [19, 20], представленное в табл. 3. В данном случае абсолютное значение средней и минимальной нагрузки на сваи выше при использовании метода оптимизации посредством изменения шага и количества свай, но относительные значения выше у метода с изменением длины свай. Т.е. эффективность использования несущей способности свай по пункту 8.7 СП 24 выше при применении второго способа оптимизации. Также, если рассматривать экономическую эффективность по материалоемкости, видно, что при применении первого метода удалось снизить количество свай на 64 шт., что значительно по сравнению с исходной схемой, но при применении второго метода количество свай осталось прежним, а вот общая длина уменьшилась на 909 погонных метров, что эквивалентно 75 сваям длиной 12 м. Таким образом, и экономическая эффективность выше при применении второго способа оптимизации свайного поля. Заключение В конечном итоге в данной работе были рассмотрены два метода оптимизации свайного поля при проектировании многоэтажных зданий: метод изменения расположения и количества свай и метод изменения длины свай без изменения их количества. В обоих случаях оптимизация значительно повышает долю использования несущей способности свай, а также экономическую эффективность свайного фундамента. Стоит отметить и тот факт, что при большей длине свай в исходном проекте экономическая эффективность оптимизации свайного поля может оказаться сильно выше, чем в представленном примере. Дальнейшее развитие данной тематики предполагает изучение взаимовлияния свай различной длины в составе группы свай [21, 22], применение вертикальной опрессовки для увеличения несущей способности перегруженных свай [23], а также натурные испытания, наблюдения за реальными объектами и разработка конкретной методики оптимизации свайного поля для практического использования в проектировании [24]. Также следует рассмотреть влияние жесткости фундамента на жесткость надземной части здания.

About the authors

G. M. Skibin

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

V. M. Derekhovskii

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

References

Statistics

Views

Abstract - 88

PDF (Russian) - 76

Refbacks

• There are currently no refbacks.